KR100757750B1 - 선형 왕복동을 발생시키는 전자기 구동 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 왕복동 타입의 구동 시스템에 사용되고 시편의 안정적이고 정확한 선형 운동을 보장하는 전자기 구동 장치를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 베이스프레임과; 가동프레임과; 베이스프레임과 가동프레임을 연결하고, 가동프레임의 선형 왕복동을 안내하는 판상의 가요성 안내부재와; 베이스프레임에 가동프레임의 이동 방향을 따라 고정 배치되고 보빈에 코일이 권선되어 이루어지는 한 쌍의 전자석과, 전자석 내부에 서로 대칭하여 위치하는 원뿔형 스토퍼와, 전자석 내외측으로 이동 가능하도록 가동프레임에 고정되고 스토퍼에 형상 대응하도록 형성된 한 쌍의 코어와, 전자석에 전류를 인가하기 위한 마이크로프로세서를 구비하는 전자석 구동부를 포함하는 전자기 구동 장치를 제공한다.
전자기 구동, 전자석, 왕복동, 자기센서, 능동형 제진

Description

선형 왕복동을 발생시키는 전자기 구동 장치{Electromagnetic driving device producing linearly reciprocating movement}
도 1은 본 발명의 전자기 구동 장치의 정면도이다.
도 2는 도 1의 전자기 구동 장치의 평면도이다.
도 3은 도 1의 전자기 구동 장치의 측면도이다.
도 4는 가동프레임의 선형 왕복동을 발생시키는 전자석 구동부를 나타낸 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 전자석 구동부의 코어에 작용하는 기생 힘과 이에 관련된 변위를 나타낸 도면이다.
도 6은 전자석 구동부의 기능 다이어그램이다.
도 7은 능동형 제진부와 그 구동부의 기능 다이어그램이다.
도 8은 60°의 메인 공극 각도와 0°의 기생 공극 각도를 가지는 전자석 구동부에 대한 힘-거리 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 9는 60°의 메인 공극 각도와 10°의 기생 공극 각도를 가지는 전자석 구동부에 대한 힘-거리 곡선을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 전자기 구동 장치 110 : 베이스프레임
120 : 가동프레임 122 : 지지부
131, 132 : 판스프링 141 : 전자석
141a : 코일 142 : 코어
142b : 내부 원뿔형 표면 142c : 외부 원뿔형 표면
143 : 원뿔형 스토퍼 144a : 메인 공극
144b : 기생 공극 151 : 전자석
152 : 코어 161, 162 : 자기 홀효과 센서
본 발명은 전자기 구동 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 왕복동 타입의 구동 시스템에 사용되고 시편의 안정적이고 정확한 선형 운동을 보장하는 전자기 구동 장치에 관한 것이다.
선형 왕복동을 발생시키는 전자기 구동 장치는 단시간 응답과 저소음과 고정확도가 요구되는 산업 분야에 널리 사용되고 있다. 이러한 전자기 구동 장치의 적용분야로서, HDD의 헤드 위치설정, 전자기 밸브, 라우드스피커, 시편의 테스트 장치 등이 있다. 전자기 구동 장치의 위치설정 분해능은 이론적으로는 제한되지 않는다. 전자기 구동 장치는 마찰 작용이 없고 마모가 없기 때문에 기계적 소음이 없으며 윤활이 필요하지 않다. 전자기 구동 장치의 속도 범위는 매우 넓다.
선형 왕복동을 사용하는 테스트 장치는 대개 DC 전기 모터에 의해 또는 압전 액추에이터에 의해 가동되는 선형 변위 스테이지를 포함한다. 장치에 부과된 하중이 비교적 작은 경우, 구동 장치의 기계적 진동이 기록된 결과값에 큰 영향을 미친다. 테스트 도중 시편을 유지하는 홀더의 진동은 특히 고속에서 또한 구동 거리가 짧을 때 중대한 문제가 된다. 압전 액추에이터를 사용함으로써 위와 같은 문제점이 부분적으로 해결될 수 있지만, 압전 액추에이터를 사용한 구동 장치의 행정은 수백 마이크로미터를 넘지 않는다. 더욱이, 장행정의 압전 액추에이터는 상당히 고가이다.
선형 왕복동용 전자기 구동 장치의 구동 요소로서, 보이스코일과 솔레노이드가 있다. 보이스코일 구동 장치에 있어서, 권선을 가지는 코일은 영구 자석의 극 사이에 배치된다. 권선을 통과하는 전류는 외부 자계와 상호 작용하여 힘을 발생시킨다. 보이스코일 구동 장치의 최대의 이점은 코일의 위치에 관계 없이 발생된 힘이 일정하다는 것이다. 이 때문에, 코일이 몇 개의 스프링에 의해 지지되는 경우, 코일의 실제 변위는 코일을 통과하는 전류에 매우 선형적으로 의존한다. 단점은 발생된 힘이 작고 권선의 임피던스가 코일이 움직이지 않을 때 극적으로 감소하기 때문에 비동적 상황에서는 코일이 가열되는 것이다. 이러한 특성 때문에 응용 가능한 분야가 동적 상황에만 제한된다.
솔레노이드 타입은 정적 힘이 필요한 경우에 사용된다. 솔레노이드 타입 구동 장치를 사용하는데 있어 문제점은 외력 하에서의 위치설정 정확도와 전자석의 낮은 선형성을 증가시키기 위해 강성의 가요성 지지부가 필요하다는 것이다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 선형 왕복동에 사용되고 시편의 정밀한 테스트를 제공하는 전자기 구동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 작은 힘을 계측하는 것에 관련된 문제점을 해결하기 위해 능동형 제진 시스템을 구비하는 저소음의 전자기 구동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 정확한 선형 시편 운동을 제공하고 전자석의 코어 상에 작용하는 기생 힘에 의해 발생되는 에러가 제거된 전자기 구동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 디지털 시그널 프로세서를 포함하는 폐루프 시스템에 접속된 센서를 사용하여 두 범위의 변위에서 고분해능으로 전자석을 제어할 수 있는 전자기 구동 장치를 제공하는 것이다.
위와 같은 목적 및 그 밖의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 전자기 구동장치는 베이스프레임과; 가동프레임과; 베이스프레임과 가동프레임을 연결하고, 가동프레임의 선형 왕복동을 안내하는 판상의 가요성 안내부재와; 베이스프레임에 가동프레임의 이동 방향을 따라 고정 배치되고 보빈에 코일이 권선되어 이루어지는 한 쌍의 전자석과, 전자석 내부에 서로 대칭하여 위치하는 원뿔형 스토퍼와, 전자석 내외측으로 이동 가능하도록 가동프레임에 고정되고 스토퍼에 형상 대응하도록 형성된 한 쌍의 코어와, 전자석에 전류를 인가하기 위한 마이크로프로세 서를 구비하는 전자석 구동부를 포함한다.
코어는 스토퍼에 대향하는 단부에 스토퍼의 형상에 대응하는 제1 원뿔형 표면을 가진다. 또한, 코어는 외주면에 제2 원뿔형 표면을 가지며, 베이스프레임은 코어가 통과하고 코어의 제2 원뿔형 표면의 형상에 대응하는 원뿔형 구멍을 가진다.
가요성 안내부재는 가동프레임의 왕복동 방향에 수직하게 배치되는 판스프링을 포함한다. 이 경우, 가동프레임은 베이스프레임에 연결되기 위한 2개의 연결부와 연결부들을 서로 연결하는 지지부를 구비하며, 가요성 안내부재는 베이스프레임과 연결부 사이 및 연결부와 가동프레임 사이에 배치된다.
전자석 구동부는 가동프레임의 변위를 검출하는 홀효과센서를 더 포함하며, 홀효과센서의 신호에 응답하여 전자석을 제어하기 위한 출력 코드를 발생시키는 디지털시그널프로세서를 구비한다. 또한, 홀효과센서는 가동프레임의 장행정을 검출하기 위한 제1 센서와 가동프레임의 단행정을 검출하기 위한 제2 센서로 구성되며, 제1 센서는 가동프레임에 수직으로 고정된 한 쌍의 자석과 한 쌍의 자석 사이에 배치되는 장행정 홀효과 IC를 구비하고, 제2 센서는 가동프레임에 평행하게 고정된 하나의 자석과 하나의 자석 상에 배치되는 단행정 홀효과 IC를 구비하며, 구동부 제어수단은 장행정 홀효과 IC 및 단행정 홀효과 IC로부터의 신호를 선택하기 위한 스위치를 더 구비한다.
전자기 구동 장치는, 베이스프레임에 가동프레임의 왕복동 방향으로 서로 대칭으로 고정된 한 쌍의 전자석과, 전자석의 인력에 의해 이동되고 서로 연결된 한 쌍의 코어와, 코어의 각각과 베이스프레임을 연결하고 왕복동 방향에 수직으로 배치되는 한 쌍의 판스프링을 구비하는 제진부와; 제진부를 제어하기 위한 제진부 구동부를 더 포함한다. 여기서, 제진부 구동부는 가동프레임의 진동에 상응하는 출력신호를 발생시키는 가속도계와, 가속도계의 출력신호를 증폭하여 한 쌍의 전자석에 제공하고 역접속으로 구성되는 증폭기를 구비한다.
베이스프레임은 일단에 구비된 스프링을 통해 고정요소에 결합되고, 타단에 구비된 스크루의 말단에서 고정요소에 지지된다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자기 구동 장치에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 전자기 구동 장치의 주요부를 나타낸 정면도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 전자기 구동 장치의 평면도이고, 도 3은 도 1에 나타낸 전자기 구동 장치의 측면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자기 구동 장치(100)는, 베이스프레임(110)과, 왕복동하는 가동프레임(120)과, 가동프레임(120)과 베이스프레임(110)을 연결하고 가동프레임(120)이 선형으로 이동하도록 안내하는 판상의 가요성 안내부재(131)와, 가동프레임(120)을 왕복동 시키기 위한 전자석 구동부(140)를 포함한다.
베이스프레임(110)은 전자기 구동 장치(100)의 기초로서 작용하며, 전자기 구동 장치(100)가 배치될 수 있는 임의의 고정요소(10) 상에 설치된다. 베이스프레임(110)은 일단에 구비된 스프링(111)을 통해 고정요소(10) 상에 결합되어 있고, 타단에 구비된 스크루 장치(112a, 112b)를 통해 고정요소(10) 상에 지지되어 있으며, 중간에 형성된 축(113a)과 고정구(113b)에 의해 고정요소(10)에 대하여 기울어질 수 있게(틸팅가능하게) 결합되어 있다.
베이스프레임(110)의 수평설정(leveling)은 스크루 장치(112)와 스프링(111)에 의해 실현된다. 스크루 장치(112a, 112b)의 스크루(112a)를 조이거나 풀면, 베이스프레임(110)이 축(113b)을 중심으로 기울어지게(틸팅) 되므로, 베이스프레임(110)의 고정요소(10)에 대한 수평설정이 이루어진다. 또한, 베이스프레임(110)이 스프링(111)에 의해 지지되면서 축(113b)을 통해 고정요소(10)에 대하여 기울어지게(틸팅) 됨으로써, 전자기 구동 장치(100)의 수직방향 운동성분은 제거된다.
가동프레임(120)은 전자기 구동 장치(100)의 선형 왕복동 부품으로 작용하며, 베이스프레임(110)에 왕복동 가능하게 유지되어 있다. 가동프레임(120)의 상면에는 시편(미도시)을 고정하기 위한 홀더(123)가 설치되어 있다. 전자기 구동 장치(100)는 가동프레임(120)의 선형 왕복동(도 1에서 x축을 따르는 선형 왕복동)에 의해 시편의 정밀한 선형 왕복동을 실현한다.
가동프레임(120)은 지지프레임(121, 122)을 통해 베이스프레임(110)에 연결되어 있다. 지지프레임(121, 122)은 베이스프레임(110)과 가동프레임(120)을 연결하기 위한 연결부(121)와 연결부(121)를 서로 연결하는 바 형상의 지지부(122)를 포함한다. 베이스프레임(110)과 지지프레임(121, 122) 사이 그리고 지지프레임(121, 122)과 가동프레임(120) 사이에 가요성 안내부재(131)가 배치되어 있다. 본 실시예에서, 가요성 안내부재(131)는 판스프링(flat spring)으로 구성된다.
베이스프레임(110)의 양측 하방에 가동프레임(120)을 설치하기 위한 가동프레임 고정부(110a)가 구비되어 있다. 일측의 연결부(121)에 있어서, 연결부(121)는 일단에서 고정부(110a)와 판스프링(131)을 통해 서로 결합되어 있고, 연결부(121)는 타단에서 가동프레임(120)의 일단과 판스프링(131)을 통해 서로 결합되어 있다. 타측의 연결부(121)도 이와 동일하게 베이스프레임(110)과 가동프레임(120)의 타단을 연결한다. 양측에 위치한 연결부(121)는 지지부(122)에 의해 서로 결합되어 있다.
가동프레임(120)이 그 양단에서 판스프링(131)에 의해 베이스프레임(110)에 설치되어 있으므로, 가동프레임(120)은 도 1에서 좌우방향으로 이동할 수 있다. 이러한 이동이 가동 프레임(120)의 선형 왕복동으로 실현된다.
도시된 바와 같이, 판스프링(131)은 가동프레임(120)의 왕복동 방향에 수직한 방향으로 배치되어 있다. 따라서, 판스프링(131)은 가동프레임(120)의 왕복동 방향으로만 휘어질 수 있고, 왕복동 방향에서 벗어난 방향으로는 휘어지기 힘들다. 이로 인해, 가동프레임(120)의 정밀한 선형 왕복동이 달성된다.
도 4는 가동프레임(120)의 선형 왕복동을 발생시키는 전자석 구동부(140)를 나타낸 단면도이다. 전자석 구동부(140)는 가동프레임(120)의 선형 왕복동을 위해 가동프레임(120)의 선형 왕복동 방향(도 1의 x축 방향)으로 2개가 구비되어 있다.
도 4를 참조하면, 전자석 구동부(140)는 보빈(141b)에 권선된 코일(141a)로 이루어지는 전자석(141)과, 전자석 내외측으로 이동하는 코어(142)와, 코어(142)의 전진방향에 위치하고 코어(142)와 형상에 있어서 대응하는 스토퍼(143)와, 전자 석(141)에 전류를 인가하기 위한 마이크로프로세서(미도시)를 포함한다.
전자석(141)은 베이스프레임(110)에 고정되고, 가동프레임(120)의 이동 방향을 따라 배치된다. 스토퍼(143)는 전자석(141) 내부에서 베이스프레임(110)에 고정되어 있다. 베이스프레임(110)은 전자석(141)을 고정하고 유지하기 위한 원통형의 고정구(110b)를 구비한다. 고정구(110b)는 코어(142)의 이동을 허용하는 통공이 형성되어 있다. 스토퍼(143)는 원뿔형상을 가진다.
코어(142)는 가동프레임(120)의 일단에 고정 설치된다. 코어(142)가 전자석(141) 내부에 위치할 때, 코어(142)가 전자석(141)과 베이스프레임(110)에 접촉하지 않도록, 가동프레임(120)이 베이스프레임(110)에 대하여 위치된다.
코어(142)는 직경(Dc)을 가지는 대략 원통 형상이다. 코어(142)는 스토퍼(143)에 마주하는 일단에 스토퍼(143)의 원뿔형상에 대응하는 원뿔형 구멍(142a)을 가지며, 타단에는 테이퍼가 형성되어 있다. 따라서, 코어(142)는 두 개의 제1 및 제2 원뿔형 표면, 즉 각도(α)의 내부 원뿔형 표면(142b)과 각도(β)의 외부 원뿔형 표면(142c)을 가진다. 외부 원뿔형 표면(142c)과 마주하는 고정구(110b)의 통공은 도시된 바와 같이 외부 원뿔형 표면(142c)의 테이퍼 형상에 대응하도록 테이퍼가 형성되어 있다.
가동프레임(120)이 설치된 상황에서, 코어(142)와 스토퍼(143)와 베이스프레임(110) 사이에는 공극(air gap)이 존재한다. 이러한 공극은 코어(142)와 스토퍼(143) 사이에 최초 길이(g)를 가지는 메인 공극(144a)과 코어(142)와 베이스프레 임(110)(상세하게는, 고정구(110b)) 사이에 최초 길이(gp)를 가지는 기생 공극(144b)으로 이루어진다. 이하, 메인 공극(144a)과 관련하여 내부 원뿔형 표면(144b)의 각도 α를 “메인 공극 각도”라 하고, 기생 공극(144b)과 관련하여 외부 원뿔형 표면(144c)의 각도 β를 “기생 공극 각도”라 한다.
코일(141a)에 전류가 통과하면, 코어(142)를 이동시키는 힘(Q)이 코어(142)에 작용한다. 이 힘(Q)이 가동프레임(120)의 일방을 따르는 운동을 일으킨다. 도 4에 나타낸 전자석 구동부는 도 1에 나타낸 전자기 구동 장치(100)의 우측 전자석 구동부를 나타낸 것으로서, 좌측 전자석 구동부를 통해서는 힘(Q)에 반대되는 방향의 힘이 발생되고, 이에 의해 가동프레임(120)의 타방을 따르는 운동이 발생된다. 이 경우, 양측 전자석 구동부에 구비되는 전자석(141)은 구조상 서로 방향이 반대인 힘을 발생시킨다. 따라서, 서로 대칭으로 배치된 전자석 구동부(140)에 의해 가동프레임(120)의 선형 왕복동이 실현된다.
여기서, 코어(142)가 내부 원뿔형 표면(142c)을 가지고, 스토퍼(143)가 그에 대응하에 형성된 원뿔형을 가지므로, 코어(142)의 축방향 이동에 따라 메인 공극(144a)의 변화가 크지 않다. 즉, 메인 공극(144a)은 초기 공극 값에서 많이 변화하지 않으며, 자속선을 코어(142)로부터 스토퍼(143)로 전달시키는 등가 면적이 크게 증가한다. 따라서, 가동프레임(120)의 운동이 선형적으로 이루어질 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 코어(142)와 스토퍼(143)의 정렬과 그에 따른 힘을 나타낸 개략적인 단면도이다. 코일(141a)에 전류가 흘러 발생되는 힘(Q)은 코어(142)의 내부 원뿔형 표면(144b)과 스토퍼(143)의 원뿔형 표면 사이에 발생되는 힘의 전체 합으로서, 내부 원뿔형 표면(144b)의 절반과 스토퍼(143) 사이의 힘(Q1)과 내부 원뿔형 표면(144b)의 나머지 절반과 스토퍼(143) 사이의 힘(Q2)로 단순화할 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 코어(142)와 스토퍼(143)의 정렬이 맞는 경우, 힘(Q1)과 힘(Q2)은 동일한 크기이므로, 이들의 합력(Qtotal)의 방향은 코어(142)와 스토퍼(143)를 통하는 축선을 따르는 방향(도 1의 x축 방향)이 된다. 그러나, 도 5b에 도시된 바와 같이, 코어(142)와 스토퍼(143)가 정렬이 안되어 아래쪽 간극보다 위쪽 간극이 크게 되면, 아래쪽에서 작용하는 힘(Q2)이 힘(Q1)보다 커져, 합력(Qtotal)의 방향은 위쪽으로 편향되어, 코어(142)는 위쪽 방향으로 운동하게 된다. 이러한 코어(142)의 운동 방향을 편향시키게 되는 불필요하게 파생된 힘을 이하에서는 “기생 힘(parasitic force)”이라 한다.
도 5c는 코어(142) 및 스토퍼(143)와 코어(142) 및 베이스프레임(110)의 상호작용에 의해 발생되는 기생 힘(parasitic force)(Q1, Q2)을 도시한다. 이러한 기생 힘(Q1, Q2)은 시편의 운동 방향에 평행하지 않은 방향으로 인가되므로, 기생 힘(Q1, Q2)에 의해 판스프링(131)이 휘는 정도가 달라지거나, 연결부(121)가 회전되어, 시편의 y축으로의 변위(Y)가 초래될 수 있다. 그러나, 이러한 효과들은 베이스프레임의 양측의 연장부(110a)에 설치되어 있는 연결부(121)를 지지부(122)를 사용하여 연결시킴으로써 최소로 된다.
또한, 도 4를 참조하면, 코어(142)는 외부 원뿔형 표면(142c)을 가지므로, 코어(143)의 이동시 기생 공극(144b)의 크기가 변화하게 된다. 따라서, 코어(142)가 스토퍼(143)에 가깝게 갈 때에는 기생 공극(144b)이 커지면서 자기 저항이 증가되어, 증가되는 힘(Q)을 감소시킨다. 반대로, 코어(142)가 스토퍼(143)에서 멀어질 때에는, 기생 공극(144b)이 작아지면서 자기 저항이 감소되어, 감소되는 힘(Q)을 증가시킨다. 그러므로, 코어(142)의 이동에 따른 x축 방향의 힘(Q)의 변화를 최소화 할 수 있다. 따라서, 가동프레임(120)의 운동이 선형적으로 이루어질 수 있다.
도 6은 전자석 구동부의 기능 다이어그램이다. 전자석 구동부(140)는 전자석(141)에 전류를 공급하고 제어하는 마이크로프로세서로서 디지털시그널프로세서(DSP)(171)와, 2개의 디지털-아날로그 컨버터(DAC1, DAC2)(172a, 172b)와, 아날로그-디지털 컨버터(ADC1)(173)와, 스위치부(Sw1)(174)와, 가동프레임의 변위를 결정하기 위한 2개의 변위센서(161, 162)를 포함한다.
디지털시그널프로세서(171)는 입력 신호를 처리하고 전자석(140)을 제어하기 위한 출력 코드를 발생시킨다. 디지털-아날로그 컨버터(172a, 172b)는 코일(141a)을 지나는 전류를 제어한다.
시편의 현위치는 가동프레임(120)의 양 단부 부근에 구비된 2개의 제1 및 제2 변위센서(161, 162)에 의해 결정된다. 제1 및 제2 변위센서(161, 162)는 자기 홀효과(magnetic Hall effect) 센서를 포함한다. 제1 변위센서(161)는 홀효과 IC(161a)와, 홀효과 IC를 사이에 두고 배치되는 한 쌍의 자석(161b)을 구비한다. 제2 변위센서(162)는 홀효과 IC(162a)와, 홀효과 IC(162a) 하측에 배치된 자석(162b)을 구비한다. 자석(161b, 162b)은 각각 가동프레임(120)에 고정되어 가동프레임(120)과 함께 변위한다.
제1 변위센서(161)는 장행정용으로서, 1 내지 5㎜ 범위 내에서의 가동프레임(120)의 변위를 결정한다. 제1 변위센서(161)는 푸시-푸시(push-push) 방식으로 실현되며, 비교적 긴 변위를 계측하기 위한 고선형 센서로서 알레그로 마이크로시스템스(Allegro Microsystems)에 의해 제안되었다. 제1 변위센서(161)의 시험결과에 의하면, 자석간 10㎜ 간극과 5㎜ 행정의 경우, 계산된 비선형도는 0.1%를 초과하지 않았고, 공급 전압 7.3V의 경우, 출력 전압은 2V로 변화하였다. 예컨대, A1321 홀효과 센서의 경우, 출력 대역폭은 30㎑이며 출력 노이즈는 40mv이다. 100㎐의 데이터 획득의 경우, 노이즈는 2mv로 감소될 수 있다. 대응하는 변위 에러는 1.7㎛이다.
제2 변위센서(162)는 단행정용으로서, 0 내지 1㎜ 범위 내에서의 가동프레임(120)의 변위를 결정한다. 제2 변위센서(162)에 구비되는 자석(162b)으로서, HDD 에 널리 사용되고 고구배 자계원으로 사용될 수 있는 “윙(wing)”자석이 채용될 수 있다. 홀효과 IC(162a)가 자석(162b)의 중앙에 위치할 때 제2 변위센서(162)는 매우 민감하다. 제2 변위센서(162)의 선형 영역은 홀효과 IC(162a)의 수직 위치에 좌우되며 거의 1㎜이다. 출력 전압에 대한 수직 위치의 영향을 제거하기 위해, 제2 변위센서(162)는 자석 위에 배치된 스틸플레이트(162c)를 더 구비 한다. 이 경우, 자기력선은 선형이 될 것이다. 제2 변위센서(162)는 340㎚의 위치 에러를 달성할 수 있다. 제2 변위센서(162)는 프레임(3)의 장행정 변위에 영향받지 않는다.
제1 및 제2 변위센서(161, 162)의 각각의 홀효과 IC(161a, 162a)는 스위치부(174)를 통해 아날로그-디지털 컨버터(173)의 입력측에 접속되어 있다. 따라서, 스위치부(174)의 절환을 통해, 전자기 구동 장치(100)의 가동프레임(120)은 0 내지 1㎜ 범위의 단행정과 1 내지 5㎜ 범위의 장행정의 두 범위 내에서 변위가 제어될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 전자기 구동 장치(100)는 가동프레임(120)의 선형 왕복동에 의해 발생되는 진동을 감쇄시켜 저소음을 실현하기 위한 능동형 제진부(150)를 포함한다.
능동형 제진부(150)는 방향이 반대인 힘을 발생시키도록 베이스프레임(110)에 전자석 구동부(140)에 나란하게 설치된 한 쌍의 전자석(151)과, 전자석(151)에 의해 기동되는 한 쌍의 질량이 큰 코어(152)와, 코어(152)를 지지하기 위한 코어지지부(153)와, 코어지지부(153)와 베이스프레임(110)을 연결하고 코어(152)가 가동프레임(120)의 왕복동 방향을 따라서 이동하도록 안내하는 판상의 가요성 안내부재(132)를 포함한다. 가요성 안내부재(132)로서 판스프링(132)이 채용된다. 판스프링(132)의 작용은 판스프링(131)의 경우와 동일하다.
전자석(151) 중 하나가 통전되면 해당 전자석(151)은 대향하는 코어(152)를 끌어당겨, 코어(152)와 코어지지부(153)로 이루어지는 운동체가 일방으로 운동한 다. 전자석(151) 중 다른 하나가 통전되면 상기 운동체는 타방으로 운동한다. 이렇게 하여, 코어(152)와 코어지지부(153)로 이루어지는 운동체의 선형 왕복동에 의해 가동프레임(120)의 선형 왕복동에 의해 발생되는 진동을 감쇄시킬 수 있다.
도 7은 능동형 제진부와 그 구동부의 기능 다이어그램을 나타낸다. 능동형 제진부(150)의 구동부는 가속도계(Accelerometer)(181)와, 역접속(inverse connection)을 가지는 두 개의 증폭기(A1, A2)(182a, 182b)를 구비한다. 제진부의 제어수단의 제어신호는 가속도계(181)의 IC에 의해 발생되고 역접속의 증폭기(182a, 182b)에 의해 증폭되어 각각의 전자석(151)에 공급된다. 전자석(151) 중 하나에 의해 발생된 힘(F)은 판스프링(132)에 의해 지지되는 코어(152) 중 하나에 작용한다. Φ는 자기회로의 요소들을 통과하는 자속(magnetic flux)이다.
도 4를 다시 참조하면, 도 4에는 전자석 구동부(140)의 자기회로가 예시되어 있다. 가동 코어(142), 베이스프레임(110) 및 공극(메인 공극 및 기생 공극)(144a, 144b)은 전기회로와 유사하게 자기회로에서의 자기저항으로 간주될 수 있다. 스토퍼(143)는 설계상 추가된 요소로서, 전자석 구동부의 힘-변위 특성을 변화시키기 위해 사용된다. 전자석 구동부(140)에 의해 이루어지는 자기회로는 몇 개의 요소, 예컨대 코어 저항(Rc), 프레임 저항(Rf), 스토퍼 저항(Rs) 및 2개의 공극 저항, 즉 메인 공극의 저항(Ra1)과 기생 공극의 저항(Ra2)으로 이루어질 수 있다.
코어(142)와 자기 전도성인 베이스프레임(110)은 수백배 낮은 자기 전도성을 가지는 공극(144a, 144b)에 의해 분리되어 있다. 전류가 코일(141a)을 통과할 때, 전자기 구동 장치(100)는 공극의 길이를 감소시키면서 전체 자기저항을 감소시킨다. 발생된 힘은 대체로 Q=dL/dg로 주어지며, 여기서 dL은 코어의 분리된 부분의 변위(dg)에 대한 유도 변화이다.
권선에 의해 발생되는 기자력((Magneto-Motive Force; Fm)은 전기회로에서의 기전력(electro-motive force:EMF 또는 전압)과 등가이다. 권수가 n이고 전류가 I암페어인 코일은 nI(암페어-권수)의 기자력을 발생시킨다.
기자력이 전기회로에서의 전류에 유사하게 일련의 자기저항에서 자속(Φ)을 생성한다.
자속밀도(flux density)(B)는 자속을 자속이 전달되는 자기 도체의 단면적으로 나눈 것이다.
전자석에 의해 발생되는 힘은 다음의 수학식 1로 계산될 수 있다.
Figure 112006049722789-pat00001
여기서, Ba1은 메인 공극에서의 자속밀도이고, μ0는 4π10-7인 진공자기상수이며, Sa1는 메인 공극의 면적이다.
자속 Φ는 BS로서 자기회로 내의 모든 요소(스토퍼, 코어, 베이스프레임 및 공극)에서 다음의 수학식 2와 같이 동일하다.
Figure 112006049722789-pat00002
자속밀도는 공극 내에서 제한없이 증가될 수 있지만 재료 포화(material saturation)로 인해 코어와 다른 자기 도체에서는 제한된다. 철의 자속밀도가 Bc=0.8테슬라 값을 초과할 때, 전기 에너지의 일부는 작동력을 증가시키지 않고 코일 내의 열로 소산된다. 코어 포화 현상 때문에, 코어의 직경과 스토퍼 및 프레임의 면적을 증가시키는데 보다 높게 발생된 힘이 필요하다.
스토퍼(143)와 코어(142) 사이의 원뿔형 공극의 면적은 다음과 같이 주어진다.
Figure 112006049722789-pat00003
Figure 112006049722789-pat00004
여기서, Dc는 코어(142)의 직경이고 α는 메인 공극 각도이다.
BcSc=Ba1Sa1 이므로(수학식 2 참조), Ba1은 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112006049722789-pat00005
수학식 1로부터,
Figure 112006049722789-pat00006
이므로, 다음 식이 얻어진다.
Figure 112006049722789-pat00007
위의 계산에 의하면, 자속밀도가 소정의 발생력에 대하여 Bc=0.8테슬라 값을 초과하지 않을 때, 코어(142)의 필요한 직경이 얻어진다.
자속 스트림은 아래의 수학식 6으로 주어질 수 있다.
Figure 112006049722789-pat00008
기자력은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112006049722789-pat00009
철의 저항이 수백배 작기 때문에, 공극의 자기저항만을 고려할 수 있으므로, 수학식 7이 얻어진다.
Figure 112006049722789-pat00010
계수 1.03은 철 저항의 존재를 가정한다.
공극의 길이(g) 및 면적(S)의 자기저항은 수학식 8로 주어진다.
Figure 112006049722789-pat00011
Ra1 및 Ra2를 결정한 후, 권선의 권수(n)는 다음의 수학식 9가 될 수 있다.
Figure 112006049722789-pat00012
여기서, I는 코일을 통과하는 전류이다.
도 8은 60°의 메인 공극 각도와 0°의 기생 공극 각도를 가지는 전자석 구동부에 대하여 코일을 통과하는 서로 다른 전류(0 내지 1A) 별로 얻어진 힘-거리 곡선을 나타낸다. 거리는 스토퍼와 코어 사이에서 측정된다.(2 내지 7㎜) 사선은 동일 코어 위치에 대하여 판스프링에 의해 생성된 힘에 해당한다. X1Y1 및 X2Y2는 소정 전류에 대한 코어의 2개의 안정 위치의 좌표이다.
도 9는 60°의 메인 공극 각도와 10°의 기생 공극 각도를 가지는 전자석 구동부에 대한 힘-거리 곡선을 나타낸다. 도 8에 도시된 점(X1Y1)은 전자석에 의해 발생된 힘과 스프링에 의해 생성된 힘이 전자석 구동부의 코일을 통과하는 소정 전류에 대하여 같아지는 점이다.
전자석(140)의 힘-거리 곡선(도 8 및 도 9 참조)은 통상 다음의 반복 단계에 의해 결정된다.
(1) 변위 범위를 일정 수의 단계로 나눈다.
(2) 각각의 코어-스토퍼간 거리에 대하여 메인 공극 및 기생 공극의 거리를 계산한다.
(3) 수학식 8을 사용하여 메인 공극 및 기생 공극의 자기저항을 계산한다.
(4) 수학식 7로부터 자속을 계산한다.
(5) 수학식 6으로부터 코어 내의 자속 밀도를 계산한다.
(6) 자속밀도가 Bc=0.8테슬라 값을 초과하면, 자속(Φ)의 값을 감소시킨다.
(7) 수학식 1을 사용하여 힘을 계산한다.
(8) 데이터를 도출하고, 전류를 증가시켜 (1) 단계로 복귀한다.
다음으로 중요한 단계는 힘-거리 곡선을 필요한 모양으로 조정하는 것이다. 보통의 전자석 설계에서, 힘-거리 곡선은 상당히 비선형적이다.(도 8 참조) 사선은 동일 코어 위치에 대하여 판스프링에 의해 생성된 힘에 대응한다. X1Y1 및 X2Y2는 소정 전류에 대한 코어의 2개의 안정 위치의 좌표이다. 이들 두 점 사이의 영역은 불안정 영역이다. 전자기 구동 장치(100)에 변위 센서와 피드백 시스템이 구비되므로(도 6 참조), 코어(142)는 이들 두 임계점 사이에서 진동하도록 설정될 수 있다. 이러한 상황은 메인 공극 각도(α), 기생 공극 길이(gp) 및 기생 공극 각도(β)를 변화시킴으로써 개선될 수 있다. 이들 값들을 선택함에 있어 고려할 수 있는 것은, 메인 공극 각도(α)가 감소할 때, 발생하는 힘은 최단 코어-스토퍼간 거리에서는 감소하고 최장 거리에서는 증가한다는 것이다. 도 9에 도시한 곡선(α=60°, β=10° 및 gp=1㎜)의 경우, 전자석 구동부의 힘-거리 곡선은 복귀하는 스프링의 힘-거리 곡선과 한 점에서 직교하여야 한다. 이론적으로, 전자석에 의해 발생된 힘은 코어-스토퍼 위치에 민감하지 않을 수 있지만, 코어 직경과 권수가 크게 증가되어야 하므로 필요하지는 않다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 편평한 시편을 고정확도로 선형 왕복동시킬 수 있고 또한 왕복동 속도와 행정이 광범위하며 저소음의 전자기 구동 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 전자기 구동 장치는 고주파수의 기계적 소음이 없어서 음향 방출 시스템에 적용될 수 있다. 또한, 단행정의 구동이 가능하여, 주사 탐침 현미경(scanning probe microscope)에 또한 매크로, 마이크로 및 나노 시험 장치에 적용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 베이스프레임과;
    가동프레임과;
    상기 베이스프레임과 가동프레임을 연결하고, 상기 가동프레임의 선형 왕복동을 안내하는 판상의 가요성 안내부재와;
    상기 베이스프레임에 상기 가동프레임의 이동 방향을 따라 고정 배치되고 보빈에 코일이 권선되어 이루어지는 한 쌍의 전자석과, 상기 전자석 내부에 서로 대칭하여 위치하는 원뿔형 스토퍼와, 상기 전자석 내외측으로 이동 가능하도록 상기 가동프레임에 고정되고 상기 스토퍼에 형상 대응하도록 형성된 한 쌍의 코어와, 상기 전자석에 전류를 인가하기 위한 마이크로프로세서를 구비하는 전자석 구동부
    를 포함하는 전자기 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코어는 상기 스토퍼에 대향하는 단부에 상기 스토퍼의 형상에 대응하는 제1 원뿔형 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 전자기 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 코어는 외주면에 제2 원뿔형 표면을 가지며, 상기 베이스프레임은 상기 코어가 통과하고 상기 제2 원뿔형 표면의 형상에 대응하는 원뿔형 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는 전자기 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가요성 안내부재는 상기 가동프레임의 왕복동 방향에 수직하게 배치되는 판스프링인 것을 특징으로 하는 전자기 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가동프레임은 상기 베이스프레임에 연결되기 위한 2개의 연결부와 상기 연결부를 서로 연결하는 지지부를 구비하며, 상기 가요성 안내부재는 상기 베이스프레임과 상기 연결부 사이 및 상기 연결부와 상기 가동프레임 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 전자기 구동 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전자석 구동부는 상기 가동프레임의 변위를 검출하는 홀효과센서를 더 포함하고, 상기 마이크로프로세서는 상기 홀효과센서의 신호에 응답하여 상기 전자석을 제어하기 위한 출력 코드를 발생시키는 디지털시그널프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자기 구동 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 홀효과센서는 상기 가동프레임의 장행정을 검출하기 위한 제1 센서와 상기 가동프레임의 단행정을 검출하기 위한 제2 센서로 구성되며,
    상기 제1 센서는 상기 가동프레임에 수직으로 고정된 한 쌍의 자석과 상기 한 쌍의 자석 사이에 배치되는 장행정 홀효과 IC를 구비하고,
    상기 제2 센서는 상기 가동프레임에 평행하게 고정된 하나의 자석과 상기 하나의 자석 상에 배치되는 단행정 홀효과 IC를 구비하며,
    상기 전자석 구동부는 상기 장행정 홀효과 IC 및 단행정 홀효과 IC로부터의 신호를 선택하기 위한 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    전자기 구동 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 베이스프레임에 상기 가동프레임의 왕복동 방향으로 서로 대칭으로 고정된 한 쌍의 전자석과, 상기 전자석의 인력에 의해 이동되고 서로 연결된 한 쌍의 코어와, 상기 코어의 각각과 상기 베이스 프레임을 연결하고 상기 왕복동 방향에 수직으로 배치되는 한 쌍의 판스프링을 구비하는 제진부와;
    상기 제진부를 구동하기 위한 제진부 구동부
    를 더 포함하는 전자기 구동 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제진부 구동부는 상기 가동프레임의 진동에 상응하는 출력신호를 발생시키는 가속도계와, 상기 가속도계의 출력신호를 증폭하여 상기 한 쌍의 전자석에 제공하고 역접속으로 구성되는 증폭기를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자기 구동 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 베이스프레임은 일단에 구비된 스프링을 통해 고정요소에 결합되고, 타단에 구비된 스크루의 말단에서 상기 고정요소 상에 지지되는 것을 특징으로 하는 전자기 구동 장치.
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